一文了解 FPGA 在LED显示上的应用

在科技飞速发展的今天，LED显示屏在我们的日常生活中随处可见，LED广泛应用于商业和媒体广告等大屏显示，例如美国标志建筑“纽约时代广场”设计的户外广告大屏。早期LED显示应用的场景主要是门头广告，使用的单色屏，现在是主流的全彩屏。随着对色彩，分辨率要求的提高，LED做的也越来越小，不仅对材料，散热，工艺要求越高，同时也对集成商显示方案性能要求越来越高。早期单色卡对控制面积和显示效果要求不高，而且单色屏显示驱动单一，方案基本都是一颗主控MCU完成扫描驱动显示。通过将上位机或者U盘读取显示数据到MCU做数据重组处理，MCU将需要显示的数据驱动到屏上，然后锁存数据，完成数据更新。

随着市场显示需求的发展，商场广告大屏都采用全彩的LED模组显示，由于分辨率和彩色效果的提高，主控MCU的性能和控制管脚数目已经达不到要求，这时FPGA不管是在快速实现还是显示成本，显示效果上面都体现出巨大优势，也使FPGA在LED显示上成为各大系统厂商选择的主流方案。如图显示润欣科技给客户推荐的安路LED接收卡方案，方案需要将视频信号、控制信号等数据通过千兆网传输到接收卡，每张接收卡控制一定数量的屏，并将数据级联到下一张接收卡。

FPGA主要完成千兆网的接收与发送，并对接收到的数据进行解码。需要GAMA矫正表对显示数据进行矫正，对于LED屏需要进行逐点矫正，像素的灰度值也需要图像算法计算，最终处理后的数据写入SDRAM缓存。LED扫描模块则产生LED驱动芯片的扫描时序和灰度，根据扫描方式从SDRAM中读出需要刷到LED上的数据。如下图是FPGA内部处理的逻辑模块。

其中最核心的就是LED扫描控制模块，全彩LED 显示屏一般采用逐位点亮的扫描方式实现灰度图像显示。对于显示灰度级数为8 位的LED 显示屏，一般采用“19场扫描”原理来实现256 级灰度显示。LED显示屏的显示数据更新一般采用串行输出方式，如采用595 进行设计的静态LED 全彩显示屏，根据“19 场扫描”原理，对于分辨率等规格确定的屏体，当串行移位时钟确定时，显示屏的刷新频率和LED 的发光效率（一个扫描周期内，LED的最长点亮时间所占的比例） 也就被确定。以8 位“19场扫描”理论为例，所谓逐位点亮，即从一个字节数据中依次从低位到高位或者从高位到低位提取出一位数据，分8 次点亮对应的像素，每一位对应的点亮时间与关断时间的占空比不同。如果点亮时间从低位到高位依次倍增，则合成的点亮时间将会有256 种组合。定义D0 位对应的点亮时间加上关断时间为一个时间单位，设为T ，可得表1 所示各位的点亮与关断时间。

在实际设计中， T也是对LED 显示屏进行一次串行数据更新所需要的时间。表1 所示的总时间是T 的整数倍，所以每个数据位所占用的总时间可以通过刷新一次屏幕数据来进行定时。在进行LED显示屏设计时，整个显示屏中LED 的亮与灭可以通过总控线EN 控制，当点亮时间≥1 T时，EN 控制显示屏处于常亮状态，而当点亮时间＜ 1 T 时，可以通过控制EN 产生相应占空比的控制波形来实现相应位的亮度控制。该扫描方式可以实现全彩256级灰度显示，LED厂商会根据不同的LED模组和显示经验来调整具体的扫描方式达到较好的显示效果。

相比于LED控制卡在FPGA功能实现扫描技术上的发展和提升，对应LED控制卡方案和形态乃至于LED屏控制系统都有较大的发展，从LED控制卡之前的千兆网级联方式的拓扑结构，到对系统运行稳定性要求极其苛刻的公检法显控平台的LED显示系统很多都是以星形拓扑结构，同时有主从备份的扫描系统。在从LED控制卡发展形态上来看，从之前的单板多接口卡发展到LED灯板嵌入式LED控制卡的形态，有减小面积，减小功耗，扩展性强，结构简单等优势。

从LED显示领域应用来看，安路的EG4系列FPGA在LED市场做了本土化和前瞻性的设计，通过核封SDRAM给客户解决了带宽，IO，面积，成本等问题，人性化的电源和地的管脚结构让客户PCB成本有竞争优势，也提供了与国外同级别器件的封装替代型号和高速串行接口。基于安路 FPGA，润欣科技给客户推荐LED屏幕背后直连接的驱动板设计方案，该方案包含自带的AST高速异步传输接口、M3内核、ADC等，一颗芯片功能齐全，满足LED显示所有需求。FPGA读取U盘图像数据，通过AST收发器传输数据，驱动板通过HUB75接口直连LED屏幕驱动芯片，最终实时显示图像。该系统和传统的显示模组相比，可靠性更高，灯驱合一，无排线，降低EMI。AST传输距离和传输速率可变，适应不同点间距屏幕。实时反馈电压，温度，屏幕工作时间，性价比高，系统集成度高，调试流程简单。随着市场和技术发展，FPGA在LED显示上面的应用会更加广泛，润欣科技也会不断给客户推出更好更优秀的LED显示方案。